智能电表数据突变产生的原因及其预防措施研究.doc

智能电表数据突变产生的原因及其预防措施研究 【摘 要】智能电能表在电力系统已得到越来越多的使用，如何抓好新表质量检定关，做好运行表故障分析，显得非常重要。智能电能表不仅仅要服务于电力公司及时掌握购售电与结算信息，降低工作成本，合理分配电力，提高管理水平，提高工作效率，同时还要面向电力用户，为用户提供数据、信息。在信息化时代，当用户电力公司提供的增值服务有需求时，该电能表不能可靠、正常工作，将会直接影响电力公司的信誉，影响对用户的服务质量。 【关键词】智能电表；数据图表；预防措施；用电安全；供电可靠性；电能质量；数据存储 0 引言 电能表更新换代速度越来越快，功能更全面也更加智能化，电能表的故障也越加多样化。产生故障的原因有很多，人为因素造成器件开裂、破损、错件、漏件等；原材料本身不合格导致电能表故障；包装、搬运、运输等过程中导致的损坏；软硬件不匹配造成的故障等多种因素。 1 表数据存储方式及特点 目前，电能表上用来存储数据的存储介质一般为EEPROM，EEPROM外置于电能表主控芯片（CPU），电能表运行的所有参数均存储在这颗外置的芯片内。CPU与EEPROM之间通常通过I2C总线进行数据传输，I2C总线传输数据具有以下特点： （1）数据的传输是以位（bit）为最小单位，字节高位（MSB）在前，低位（LSB）在后，无起始位，无奇偶校验，无停止位。 （2）数据输入输出都是使用同一根数据线（SDA）。 （3）时钟信号（SCL）由主控芯片提供。 （4）时钟信号（SCL）的频率为200-400kHz（2.5V-5.5V），当工作电压小于2.5V时，最快时钟信号频率不大于l00kHz，即时钟信号的最高频率与EEPROM的工作电压有关。 （5）数据管脚SDA、时钟管脚SCL都是OC（集电极开路）输出，两个管脚均需加上拉电阻。 I2C总线传输数据时，对时序波形是有相对严格的要求的，如果数据传输过程中，I2C总线上的时序不符合要求，就会导致数据传输的错误。由于I2C总线器件数据输入输出均是通过同一根数据线SDA进行的，数据传输模式是通过控制命令字来实现的，如1010XXX1表示读取EEPROM数据，101OXXXO表示向EEPROM写入数据。这两个命令字之间只有最后一位数码有差异，其余7为数码均是相同的。所以当向EEPROM写入控制字时，如果最后一位数码受到外界干扰而发生变化，那么读命令字就变成写命令字，即原本想读取EEPROM数据的操作变成了写EEPROM的操作，数据就会发生错误。 由于数据管脚SDA、时钟管脚SCL都是0C（集电极?月罚涑觥礁龉芙啪?需加上拉电阻，上拉电阻阻值的大小，会影响到SCL、SDA脚上的信号波形。 因此可知SCL信号线与SDA信号线上的上拉电阻阻值的不同，会导致这两个信号线上的波形发生变化。如果这两个上拉电阻的阻值选择的不是很合理的话，会导致SCL和SDA管脚上信号波形严重失真，那么会严重影响数据传输的正确性。 2 数据突变产生的原因 通过对I2C总线传输数据的特性分析，可以知道以下几个方面可能会导致CPU与EEPROM进行数据传输出现错误： （1）在CPU与EEPORM进行数据传输时，受到外界的干扰，导致控制命令字的最后一位传输出错，读命令变成写命令，对需要读取的数据进行写操作，导致数据紊乱。 （2）SCL、SDA这两根信号线上的上拉电阻阻值配置不合理，导致数据传输的不稳定，在数据传输过程中，当受到强烈的外部信号干扰时，波形严重失真，导致数据传输紊乱。 （3）由于时钟信号的最高频率与EEPROM的工作电压有关，工作电压高，频率高，工作电压低，频率会降低。所以如在程序设计中选择时钟频率偏高，当EEPROM电压出现波动时，可能会导致工作电压与频率不匹配，从而导致数据传输出现紊乱；其次，如果在程序设计时，选择的通讯频率偏高，在电能表寿命的前期，由于电子元器件均处于生命的健壮期，芯片管脚的驱动能力较强，这时候使用较高的时钟频率是没问题的，但是随着时间的推移，芯片逐渐老化，驱动能力下降，无法再适应原来那么高的频率，也会导致数据传输时出现问题，所以时钟频率的选择也要考虑这个因素，以便留出足够的冗余量。 （4）由于软件设计缺陷，导致CPU的RAM溢出，RAM里面的数据会发生不可预知的错误。 综上所述，保持在EEPROM的数据都有突变的风险，尤以一些需要进行频繁操作的数据表现的最为突出（如电量）。 3 数据突变的预防措施 3.1 软件方面 （1）校验和查错处理。数据出错是很难预防的，每个程序员都不能保证肯定不会出错。所以在做好通用软件可靠性设计的基础上，重点是保证出错后数据的恢复。主控芯片RAM中的当前电量在作累加之前，要作查错处理，如在电量（XXXXXX.XX）后面加一个字节的数据校验和，当校验和出错则进行数据恢复处理（从存储器中读回电量）。 （2）在主控芯片RAM中置特殊字。程序不停的对该字节进行监控，以判断RAM数据是否存在非正常的变化。 （3）BCD码校验。电量、时间等数据是以BCD码格式存在的，通过BCD码校验可以判断数据是否有效。例如电量= 123456.7A，校验和= 16H，虽然能通过校验和判断，但是通过BCD码校验依旧能判断该数据无效。 （4）利用数据的规律来判断其有效性。电量、时间数据只能往上加，例如数据已经通过常规校验，但RAM数据小于EEPROM数据，或RAM数据与EEPROM数据的差值大于某个合理的范围（如电量数据可设一个额定最大功率对时间的积分再乘以一定的系数作为阀值），都可以判断数据已经失效。 （5）对电量做查错处理的同时，在EEPROM存储器中不同的页面做多处备份，当查错处理发现错误时，则读备份数据，并进行数据恢复处理，该方式可解决数据在EEPROM缓存期间出现意外所产生的问题。 （6）选择合理的数据操作时机。由于不同器件工作电压不同，所以在数据操作前可以进行适当的延迟，可防止错误数据的产生。 （7）在无法恢复有效数据时电能表报错（液晶闪烁、显示全屏），使用户看不到无效的数据，只是认为表计坏，消除用户对计量正确性的怀疑。 3.2 硬件方面 （1）主控芯片是电子式电能表的大脑，选用抗干扰能力强的主控芯片，是一个比较直接有效的提高可靠性的方法，选型时最好遵循以下几点：选用知名品牌的产品；选用工业级的产品；在运算能力已经足够的情况下，选用较低的工作频率；在前几项保证的情况下，选用单字节的CPU。 （2）电磁兼容性方面，在通用设计规范基础上，在PCB板设计时要注意以下几点，尽可能缩短I2C数据总线的走线，线越短受干扰的几率就越小；EEPROM存储器器件下面尽可能不要布电源线，以便提高抗干扰能力；提高集成电路输入信号的信噪比，是提高抗干扰能力的一个重要措施，选择高工作电压器件，可以提高信噪比；在数据总线上选择合适的上拉电阻可以提高总线信号传输的可靠性，建议选用l0k及以下的上拉电阻（早期有些厂家在用20k的上拉电阻）；将CPU的电源与EEPROM存储器的电源共用，以便电能表在上、下电时电平匹配一致，不会引起因数据线上的电平变化而变成对存储器的误操作，同时，在它们的电源上加容量大一点的电解电容（220F10V），以便在电能表掉电时有足够的时间将数据写到存储器中；电源走线不能形成环形，以便降低噪声干扰；计量芯片和?样回路尽可能靠近。 4 结束语 总之，智能电能表实现了电网企业和电网用户之间的信息交互、需求交互、和谐共赢，使得社会效益最大化，其优点和优势十分明显。随着国网表的快速推进，电表的更新速度越来越快，功能也更加完善，同样随着功能的增加，故障也随之而来。而且智能电能表作为新兴事物，运用的环境较普通电能表更为复杂，所承担的责任更为重大，因此研究智能电能表的常见故障而提